Guido Caldarelli Archivi

Biologia

I gemelli digitali per la medicina personalizzata

By ScientifiCult 20 Gennaio 2025

I GEMELLI DIGITALI PER LA MEDICINA PERSONALIZZATA

Studio dell’Università di Padova pone le basi per una nuova generazione di strumenti diagnostici e terapeutici che combinano la scienza delle reti, la biologia computazionale e la medicina digitale

Il futuro della medicina personalizzata sta assumendo una nuova forma grazie a un approccio trasparente basato su modelli computazionali che superano i limiti delle tradizionali metodologie di intelligenza artificiale.

Un team internazionale guidato da ricercatori dell’Università di Padova del Padua Center for Network Medicine ha proposto un nuovo quadro concettuale per l’uso dei gemelli digitali (digital twins) in medicina di precisione. Il gemello digitale è un modello virtuale di un oggetto fisico che segue il ciclo di vita dell’oggetto e utilizza i dati in tempo reale inviati dai sensori sull’oggetto stesso per simularne il comportamento e monitorare le operazioni.

I gemelli digitali per la medicina personalizzata; uno studio pubblicato sulla rivista NPJ Digital Medicine

I risultati della ricerca dal titolo Challenges and opportunities for digitaltwins in precision medicine from acomplex systems perspective sono stati pubblicati sulla rivista scientifica «NPJ Digital Medicine», del gruppo editoriale Nature, e pongono le basi per una nuova generazione di strumenti diagnostici e terapeutici che combinano la scienza delle reti, la biologia computazionale e la medicina digitale.

«Il nostro approccio non è un semplice esercizio di modellazione predittiva – spiega Manlio De Domenico, primo autore dello studio e docente al dipartimentodi Fisica e Astronomia dell’Università di Padova –. Si basa su modelli computazionali complessi guidati da ipotesi biologiche esplicite, che consentono di simulare e analizzare interventi terapeutici in modo trasparente e interpretabile, migliorando la comprensione dei meccanismi sottostanti ai processi biologici. La sfida, adesso, è farli comunicare bene tra loro».

Una piattaforma interdisciplinare per la medicina del futuro

Lo studio si distingue per la sua interdisciplinarietà, poiché integra concetti e tecniche della fisica statistica con la biologia e la medicina. I gemelli digitali descritti nel lavoro non sono semplici riproduzioni statistiche di dati clinici ma veri e propri modelli esplicativi che, in linea di principio, sono in grado di replicare in-silico il comportamento di cellule, organi o interi organismi utilizzando simulazioni basate su meccanismi biologici multiscala e multilivello. Questo consente di esplorare strategie terapeutiche dinamiche e ottimizzare le decisioni cliniche in tempo reale.

La ricerca, condotta in collaborazione con l’Università Ca’ Foscari di Venezia, la Binghamton University (USA), il London Institute for Mathematical Sciences e la Universidade Católica Portuguesa di Lisbona, mette in evidenza come questi modelli possano colmare le lacune delle tecniche basate sull’intelligenza artificiale “opaca”, definita tale in quanto la sua complessità impedisce agli utenti umani di comprendere e spiegare pienamente i meccanismi che la guidano, suscitando una certa diffidenza nel suo utilizzo. Questa complessità ostacola la diffusione dell’intelligenza artificiale in settori cruciali come medicina e sicurezza.

«Il nostro obiettivo è rendere la medicina personalizzata più affidabile e comprensibile, evitando l’opacità delle soluzioni puramente data-driven», aggiunge Valeria d’Andrea, ricercatrice del dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Ateneo patavino, che ha contribuito allo studio.

Impatti pratici e applicazioni future

Grazie all’uso di modelli generativi ipotesi-guidati, questo approccio promette di migliorare l’efficacia delle terapie personalizzate, riducendo i rischi associati a diagnosi e trattamenti non ottimali. L’integrazione di “big data” biologici, storici e ambientali consente inoltre di catturare la complessità delle interazioni biologiche e dell’esposoma (l’insieme degli stimoli ambientali che entrano in contatto con il corpo), aprendo nuove possibilità nella lotta contro malattie complesse come il cancro, le malattie neurodegenerative e molte patologie croniche.

«I gemelli digitali non solo simulano scenari clinici realistici, ma permettono di testare interventi terapeutici in modo sicuro ed efficiente, fornendo uno spettro di alternative clinicamente rilevanti per supportare le decisioni dei medici», conclude De Domenico.

Questa ricerca rappresenta un punto di incontro tra fisica dei sistemi complessi, medicina e biologia dei sistemi e delinea nuove prospettive per lo sviluppo di una medicina più equa, efficace e sostenibile, segnando un passo importante verso la realizzazione del potenziale della medicina di precisione. L’impegno del Padua Center for Network Medicine dell’Università di Padova in questa direzione sottolinea il ruolo centrale della ricerca interdisciplinare nella trasformazione della medicina moderna.

Riferimenti bibliografici:

Autori: Manlio De Domenico, Luca Allegri, Guido Caldarelli, Valeria d’Andrea, Barbara Di Camillo, Luis M. Rocha, Jordan Rozum, Riccardo Sbarbati, & Francesco Zambelli, Challenges and opportunities for digitaltwins in precision medicine from acomplex systems perspective – «NPJ Digital Medicine» – 2025

Link: https://www.nature.com/articles/s41746-024-01402-3

Padova, 20 gennaio 2025

Testo e immagini dall’Ufficio Stampa dell’Università di Padova

Keep Reading

Chimica

Progetto RARA Factory per la ricerca sulla generazione sintetica delle terre rare

By ScientifiCult 19 Dicembre 2024

CA’ FOSCARI, PROGETTO RARA FACTORY FRA LE 4 START UP PREMIATE AL MOTOR VALLEY ACCELERATOR EXPO
AL VIA A VENEZIA LA RICERCA PER LA GENERAZIONE SINTETICA DELLE TERRE RARE

Il progetto ottiene un finanziamento di 400 mila euro, le attività saranno sviluppate nei laboratori di Marghera Venezia al VEGA Parco Scientifico Tecnologico

I ricercatori dello spin off studiano materiali innovativi e sostenibili combinando fisica della materia, teoria delle reti e intelligenza artificiale per sostituire le ‘terre rare’ con composti puliti

17 luglio 2025 – Inaugurato questa mattina il primo laboratorio italiano capace di garantire l’indipendenza tecnologica e la transizione green dei materiali critici – sostenuto da UniCredit e Motor Valley Accelerator, il programma della Rete Nazionale Acceleratori di CDP Venture Capital, che ha come co-investitori Plug and Play Tech Center, UniCredit e Fondazione di Modena.

Secondo il Critical Raw Materials Act dell’Unione Europea, l’Europa importa oggi il 98% delle terre rare dalla Cina, evidenziando una vulnerabilità strategica che rischia di rallentare la transizione green e la competitività industriale

17 luglio 2025, VENEZIA – Si è tenuta oggi a Venezia l’inaugurazione ufficiale del nuovo laboratorio di RARA Factory, la prima realtà italiana interamente dedicata alla ricerca, sviluppo e prototipazione di materiali sostenibili alternativi alle terre rare e ai materiali critici. L’evento, ospitato presso il Parco Scientifico Tecnologico VEGA, sede del nuovo spazio tecnologico, ha visto la partecipazione di istituzioni regionali e comunali, università, imprese, investitori e partner strategici.

Nata come spin-off deep-tech dell’Università Ca’ Foscari Venezia, RARA Factory sviluppa tecnologie di frontiera per ridurre la dipendenza da terre rare e materiali critici, elementi indispensabili per la transizione energetica, la mobilità elettrica, l’aerospazio e i dispositivi medicali avanzati.

Il cuore della tecnologia RARA Factory è un algoritmo brevettato che permette di identificare materiali alternativi alle terre rare, combinando elementi facilmente reperibili in natura e mantenendo proprietà equivalenti o superiori rispetto alle leghe tradizionali. Grazie a un mix di competenze, che va dalla fisica della materia alla fisica teorica e all’intelligenza artificiale generativa, finora l’algoritmo è stato testato con successo su oltre 45.000 materiali, dimostrando la capacità di rivoluzionare l’approvvigionamento di materie prime critiche in settori strategici.

“Andiamo a prendere l’abbondanza: grandi quantità di elementi facilmente reperibili come ad esempio silicio, alluminio, ferro, calcio.” ha dichiarato Stefano Bonetti, Fondatore e Direttore scientifico di RARA Factory, nonché Professore Ordinario di Fisica Sperimentale della Materia e Applicazioni a Ca’ Foscari: “Il primo obiettivo sarà di trovare dei magneti alternativi a quelli al neodimio per applicazioni nell’automotive e delle energie rinnovabili, ma il nostro metodo è molto più generale ed è valido per qualsiasi materiale critico che vuole essere sostituito; come ad esempio litio, coltan o cobalto”.

Secondo il Critical Raw Materials Act dell’Unione Europea, approvato nel 2023, l’Europa importa oggi il 98% delle terre rare dalla Cina, evidenziando una vulnerabilità strategica che rischia di rallentare la transizione green e la competitività industriale. Le terre rare sono infatti indispensabili per batterie e motori elettrici, turbine eoliche, componenti elettronici avanzati, strumentazione biomedicale ad alta precisione, applicazioni aerospaziali. Nel solo campo di applicazione dei magneti – che oggi vale 54 miliardi a livello globale e si stima oltre 90 miliardi nel 2030 – le applicazioni della tecnologia RARA Factory si pongono l’obiettivo di generare un risparmio sui costi dei materiali del 30-40%.

Il nuovo laboratorio è dotato di sistemi di calcolo avanzato per la progettazione di nuovi materiali mediante un modello AI proprietario, strumenti per la sintesi di nuove leghe, impianti di caratterizzazione per misurare proprietà magnetiche, termiche ed ottiche dei materiali generati in grado di produrre circa 150 campioni al giorno e oltre 10.000 entro fine anno.

Michele Bugliesi, Fondatore e Amministratore Delegato di RARA Factory, Professore ordinario di Informatica, già rettore di Ca’ Foscari, ha commentato: “Con RARA Factory vogliamo dimostrare che è possibile generare impatto non solo scientifico, ma anche industriale e sociale, partendo dall’eccellenza accademica italiana. Il nostro obiettivo è costruire una catena del valore completa, con partner industriali, istituzionali e investitori di primissimo piano contribuendo a creare un ecosistema competitivo che connetta ricerca, imprese e territorio. Il primo step è stato compiuto: oggi RARA Factory è pienamente operativa, con una decina di collaboratori e un valore di strumentazione installata di oltre 2 milioni di euro, un algoritmo brevettato e l’attenzione di diversi investitori che sin da subito hanno compreso il grande potenziale del nostro progetto. Ora l’auspicio è che si possa crescere grazie al sostegno crescente di stakeholder nazionali e territoriali”

“Siamo orgogliosi di supportare RARA Factory, una realtà che dimostra come l’innovazione scientifica possa trasformarsi in impatto industriale concreto. Il loro approccio, che combina scienza dei materiali e intelligenza artificiale, ha il potenziale per ridefinire intere filiere industriali e rappresenta una risposta strategica alla dipendenza dalle terre rare e alle sfide della transizione energetica. Come Motor Valley Accelerator e Plug and Play, crediamo fortemente nella loro visione e siamo entusiasti di accompagnarli nel loro percorso di crescita.” ha dichiarato Enrico Dente, Director di Motor Valley Accelerator e Plug and Play.

Francesco Iannella, Regional Manager Nord Est di UniCredit ha infine aggiunto: “Il nostro intervento di sostegno al progetto Rara Factory ben esemplifica le direttrici secondo cui si muove l’azione di UniCredit in un territorio come quello del Nord Est. Da un lato è la prova concreta della nostra volontà di sostenere progetti imprenditoriali ambiziosi e sostenibili; in secondo luogo, è la naturale conseguenza del nostro storico e pionieristico supporto all’ecosistema dell’innovazione, maturato negli anni attraverso il progetto UniCredit StartLab; in ultimo è coerente con il nostro impegno, attraverso le cosiddette ‘borse di rientro’ promosse da UniCredit Foundation, per attrarre e trattenere i migliori talenti”.

19 dicembre 2024, VENEZIA – RARA Factory, lo spin off dell’Università Ca’ Foscari Venezia che sviluppa materiali innovativi e sostenibili combinando fisica della materia, teoria delle reti e intelligenza artificiale, è tra le quattro startup selezionate e finanziate da Motor Valley Accelerator, la principale piattaforma di Open Innovation in Italia dedicata all’innovazione nei settori Mobility ed Automotive.

L’annuncio è avvenuto nel corso del Motor Valley Accelerator Expo svoltosi a Fiorano Modenese, nel cuore della Motor Valley dell’Emilia-Romagna; un appuntamento nel quale si sono radunati startup e dipartimenti di R&D ed innovazione delle principali aziende del mondo nel settore Mobility ed Automotive.

Il progetto RARA Factory è coordinato dai docenti del Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi Stefano Bonetti e Guido Caldarelli, dal prof. Michele Bugliesi del Dipartimento di Scienze Ambientali, Informatica e Statistica e da Stefano Micelli, docente della Venice School of Management.

Il team di ricerca studia lo sviluppo di un algoritmo per la generazione sintetica delle terre rare che fanno parte di un più ampio gruppo di “materiali rari” o “materiali critici”, per esempio nichel o cobalto, che sono alla base di tutti i dispositivi elettronici di ultima generazione, come batterie ricaricabili, motori elettrici, schermi TV e LCD.

L’obiettivo di Rara Factory è infatti quello di offrire una soluzione completamente nuova al problema. L’idea non è di trovare terre rare o materiali rari, riciclandoli o cercando nuovi giacimenti, ma di sostituirli completamente con composti puliti e abbondanti di prestazioni uguali o superiori.

Stefano Bonetti, docente di Ingegneria Fisica a Ca’ Foscari: “La scorsa settimana abbiamo partecipato come RARA Factory all’Expo 2024 del Motor Valley Accelerator a Modena, un evento di punta per l’innovazione tecnologica nel settore automobilistico, dove i materiali sono cruciali. L’Expo ha offerto un’opportunità esclusiva per connettersi con innovatori che stanno ridefinendo il panorama della mobilità. Come RARA Factory siamo state una delle quattro startup innovative premiate nel 2024 con un investimento di accelerazione di 400mila euro, che servirà ad avviare le prime attività nei nostri laboratori a Marghera. Abbiamo firmato accordi di collaborazione con diverse importanti aziende del settore, estremamente interessate nell’usare la nostra tecnologia per sostituire materiali critici nei loro prodotti. È entusiasmante vedere come la ricerca di base che stiamo portando avanti potrà avere un impatto su scala così ampia”.

Motor Valley Accelerator nasce da un’iniziativa congiunta del network nazionale di CDP Venture Capital Sgr, UniCredit, e Fondazione Modena, gestito da Plug and Play, anche in veste di investitore, e CRIT. In quattro anni di attività ha contribuito a rafforzare l’ecosistema dell’industria automotive finanziando complessivamente 28 startup. Grazie alla collaborazione con le aziende partner (STMicroelectronics, Ferrari, Agrati, Dallara, Sabelt, OMR, Gruppo Hera e UnipolSai Assicurazioni) che sono state anche protagoniste nelle fasi di selezione, sono stati avviati oltre 30 Proof of Concept di cui una parte si sono evoluti in progetti avanzati verso l’implementazione.

Testi e foto dall’Ufficio Comunicazione e Promozione di Ateneo Università Ca’ Foscari Venezia. Aggiornato il 17 luglio 2205.

Keep Reading

Chimica

Un algoritmo per sostituire le terre rare con materiali sostenibili

By ScientifiCult 27 Luglio 2023

DA CA’ FOSCARI UN ALGORITMO PER SOSTITUIRE LE TERRE RARE CON MATERIALI SOSTENIBILI

Stefano Bonetti, fisico a Ca’ Foscari, ha presentato l’attività della Fondazione Rara in audizione alla Commissione Esteri della Camera:

“Non c’è un modo pulito di estrarre terre rare, ma con la ricerca possiamo trovare nuovi materiali, generando un forte impatto economico”.

VENEZIA – Lantanio, cerio, praseodimio, neodimio. Sono solo le prime delle diciassette ‘terre rare’ presenti nella tavola periodica degli elementi. Si chiamano terre, ma sono sostanzialmente dei metalli, tutti con colore simile, indispensabili per l’economia del presente e del futuro, per la transizione ecologica, e per gli interessi di molti Paesi.

Le terre rare fanno parte di un più ampio gruppo di “materiali rari” o “materiali critici”, per esempio nichel o cobalto, che sono alla base di tutti i dispositivi elettronici di ultima generazione, come batterie ricaricabili, motori elettrici, schermi TV e LCD. Sono anche elementi fondamentali per lo sviluppo delle tecnologie più avanzate in campo aerospaziale, medico, della difesa e delle energie rinnovabili. Il controllo e il primato sull’export di questi materiali, la cui domanda è destinata a crescere in modo rapido ed esponenziale in tutto il mondo, è attualmente in mano alla Cina.

Norme e strategie per superare il ‘monopolio’ cinese e regolamentare il procedimento complesso e poco sostenibile di estrazione e lavorazione delle terre rare e dei materiali critici, sono in discussione anche a livello di Unione Europea e di singoli Stati, tra i quali l’Italia, dove sono coinvolti il ministero delle Imprese e del Made in Italy e quello dall’Ambiente.

Stefano Bonetti, Ordinario di Fisica della Materia a Ca’ Foscari, è rappresentante di Fondazione Rara ETS, no profit nata per promuovere ed effettuare ricerca su tecnologie e materiali sostenibili, offrendo soluzioni ‘pulite’ e percorribili in qualunque strategia geopolitica legata ai materiali rari. Insieme a lui, i docenti di Ca’ Foscari Guido Caldarelli, Ordinario di Fisica Teorica, Michele Bugliesi, Ordinario di Informatica e precedente Rettore, insieme ad Alberto Baban, Presidente di VeNetWork ed ex Presidente Nazionale di Piccola e Media Impresa di Confindustria, e Anna Soatto, di Cortellazzo&Soatto.

Nei giorni scorsi Bonetti è stato invitato per un’audizione alla Commissione Esteri della Camera dei deputati, dove ha spiegato le criticità e possibili sviluppi nel campo delle terre e dei materiali rari, e ha presentato l’attività della Fondazione.

“Al momento stiamo sviluppando e brevettando un algoritmo che permetta di sostituire completamente le terre rare con materiali sostenibili e abbondanti, cercando e combinando materiali con proprietà simili – spiega Bonetti. – La realtà è che non c’è un modo pulito di estrarre terre rare, che significa che i processi per evitare di inquinare richiedono costosi processi di bonifica, che di ritorno aumenterebbero i prezzi dei materiali e porterebbero probabilmente fuori mercato le terre rare estratte in Europa. Consideriamo poi il costo sociale: qualsiasi dispositivo elettronico di uso quotidiano ha una batteria che contiene cobalto, e l’estrazione di cobalto avviene quasi totalmente in Congo, senza regole ambientali e sfruttando in maniera tragica lavoro minorile. Il paradosso è evidente: per effettuare una transizione ecologica che mira a salvare il pianeta, ci procuriamo materiali distruggendo alcune aree del pianeta stesso, e le persone che ci vivono. Anche le attuali alternative in discussione, ovvero recuperare e riciclare le terre rare da vecchi dispositivi elettronici, o di trovare nuovi giacimenti, hanno ancora altissimi costi energetici, ambientali e sociali”.

Stefano Bonetti sostituire terre rare — Stefano Bonetti

L’approccio proposto dal gruppo di ricerca offre una soluzione completamente nuova al problema. L’idea non è di trovare terre rare o materiali rari, riciclandoli o cercando nuovi giacimenti, ma di sostituirli completamente con materiali abbondanti e sostenibili.

“Ci sono elementi come il sodio, il potassio, il ferro, il titanio, e diversi altri, che sono molto più abbondanti, e distribuiti su tutto il pianeta – continua Bonetti. – Con questi elementi comuni, si possono creare dei materiali compositi, delle leghe, che possono avere le proprietà delle terre rare. In questo modo, potremmo continuare a sviluppare tecnologia necessaria alla transizione ecologica, con materiali a basso impatto ambientale. Inoltre, anche gli altri problemi di diritti umani, di concentrazione di potere in mano a pochi attori si risolverebbero, perché questi materiali si trovano distribuiti su tutto il pianeta”.

L’idea è semplice, ed è quella di provare tante combinazioni di materiali, testarli e trovare quelli simili. La difficoltà sta nell’altissimo numero di combinazioni possibili, paragonabile a quanti sono gli atomi nell’universo.

“Quello che abbiamo fatto all’interno della Fondazione Rara, grazie ad una combinazione di competenze unica in fisica della materia, in fisica teorica e in informatica, è lo sviluppo di un algoritmo in grado di ottimizzare la ricerca di questi materiali in maniera molto più efficiente di quanto fatto fino ad ora, creando un’elaborazione dei materiali. Dopo l’algoritmo, l’obiettivo successivo è quello di creare un database di materiali mirati a sostituire le terre rare.”

Le ricadute di un’impresa di questo tipo sull’intero sistema nazionale sono destinate ad avere un forte impatto dal punto di vista economico, perché l’Italia diventerebbe leader di materiali sostenibili per le nuove tecnologie (il solo settore microelettronica ha un valore stimato di 700 miliardi nel 2027); strategico e geopolitico, perché diventerebbe punto di riferimento per le industrie che operano nell’ambito della transizione ecologica; e infine politico, con un ruolo leader in Europa nelle politiche per i materiali sostenibili.

Tra le raccomandazioni di breve-medio periodo che Fondazione Rara ha presentato nel corso dell’audizione, spiccano: un impegno della politica a livello internazionale per inserire la ricerca di materiali sostenibili tra le priorità dei prossimi anni, lo stanziamento di fondi europei mirati alla sostituzione dei materiali critici con materiali sostenibili e l’utilizzo di e fondi PNRR per la ricerca sui materiali sostenibili.

Video dell’audizione di Stefano Bonetti alla Commissione Esteri: https://webtv.camera.it/evento/22978

Testo e foto dall’Ufficio Comunicazione e Promozione di Ateneo Università Ca’ Foscari Venezia sull’algoritmo per sostituire le terre rare con materiali sostenibili.

Keep Reading